지구온난화 주범인 CO2이용 ‘암ㆍ노화’ 발생 막는다
평판형 및 원통형 광반응기 (해마토코쿠스 배양)
평판형 및 원통형 광반응기 (해마토코쿠스 배양)
특히 연구팀은 순수 이산화탄소만을 영양분으로 하여 아스타잔틴을 축적할 수 있는 자가영양광유도 공정을 개발하여 기존의 생물학적 이산화탄소 고정화 효율을 배가하였을 뿐만 아니라, 신 개념의 선택적 추출 공정 개발을 통해 해마토코쿠스 배양액으로부터 아스타잔틴을 선택적으로 고효율 분리하는데 성공하였다.
<아스타잔틴>은 노화나 암 발생 등을 유발하는 <활성산소>등을 효율적으로 제거하는 첨단 의약품으로 현재 시중에 나와 있는 같은 기능의 <베타카로틴>에 비해 그 효과가 수십 배 이상 높고, 노화질환 치료제, 고가의 사료첨가제 등과 항암작용과 항 치매작용, 면역 증강 작용 등의 기능에 활용될 전망이지만 국내에 공급되는 <아스타잔틴>은 전량 수입에 의존하고 있다.
이산화탄소를 이용해 <아스타잔틴>을 생산할 경우 기존의 <유기산>이나 <당>을 이용해 생산한 제품의 Kg당 가격 $3,000에 비해 1/5 가격인 Kg당 $600에 고부가 제품을 공급할 수 있게 돼 향후 2억불 규모의 국내ㆍ외 관련 시장에 커다란 판도 변화가 예상되며,
연구팀은 향후 생산성이 우수한 <균주>의 개발과 동시에 Scale-up 공정을 수행한 후 2008년 대량생산 체제 구축에 들어가 2009년부터 국내ㆍ외 시장에 시제품을 선보일 예정이다.
이번 연구 성과는 국내는 물론 미국, 일본 등에 특허 출원되었으며, <Applied Microbiology and Biotechnology>(‘07. 2월 인터넷 게재) 등 권위 있는 생물공학 잡지에 다수 게재되었다.
또한 관련 선행 연구로 성균관대 심상준 교수는 2006년 4월 20일 과학의 날에 <대통령표창>을 수상한 바 있다.
개발 배경 및 기술 개요
□ 개발 배경
미국 에너지부 (DOE, Department of Energy)에서 추산한 현재 CO2 처리 비용은 CO2 톤당 $35~264이며, 장기적 목표치는 CO2 톤당 $10 이하로 설정하고 있다. 이러한 목적을 달성할 수 있는 가장 기본적인 방법 중의 하나로 생물학적 CO2 처리법을 들 수 있는데, 즉 생물학적 고정화를 통해 톤당 $10 이상의 값어치를 하는 바이오매스로 전환하는 방법이 제시될 수 있다.
즉, 신개념의 생물학적 CO2 전환기술 개발을 통하여 회수 처리되어야 할 일부의 CO2 양을 줄임과 동시에 산업 및 의학적으로 유용한 고부가 제품으로 전환, 활용함으로써 부가가치를 창출하여 이익을 발생시킴에 의해 CO2 회수 처리 비용의 절감에 기여할 수 있다.
특히, 생물학적 고부가가치 생리활성물질의 대량생산 연구는 기술 및 지식 집약적인 산업으로 생물공학 우수 연구자원을 많이 확보하고 있는 우리나라의 환경에 적합한 분야라 할 수 있다.
□ 개발 기술 개요
이산화탄소를 고정화할 수 있는 광합성 미생물 중에서 최근 강력한 항산화기능으로 이슈화되고 있는 아스타잔틴 (Astaxanthin)을 다량 축적하는 것으로 알려진 해마토코쿠스 (Haematococcus) 종을 이산화탄소의 생물학적 전환을 위한 생 촉매로 선별하였다.
본 연구팀에 의해 제시된 해마토코쿠스 자가 영양 유도 공정을 이용하여 최적 농도의 이산화탄소를 해마토코쿠스 배양 기간 동안 연속적으로 공급함과 동시에 해마토코쿠스의 영양 상태에 따른 차별적 빛 공급을 통해 생 촉매에 의한 이산화탄소의 아스타잔틴으로의 생 전환을 극대화하였다. 본 공정 완료 후 아스타잔틴 축적량은 기존 문헌에 보고된 양 (균체 건조 질량의 5% 이내) 보다 훨씬 높은 7% 이상으로 나타났다.
○ 아스타잔틴이 축적되는 자가 영양 유도 공정 동안 해마토코쿠스 세포의 크기 또한 급격히 증가하므로 이를 위한 이산화탄소 전환 효율도 함께 급증하여 기존의 균체 성장만을 이용한 생물학적 이산화탄소 고정화에 비해 5 배 이상 월등한 이산화탄소 전환 수율을 나타냈다.
- 해마토코쿠스 균주의 성장을 통한 이산화탄소 고정화 속도
: 0.11 g/L·day
- 해마토코쿠스 균주의 자가 영양 유도를 통한 이산화탄소 고정화 속도
: 0.57 g/L·day
○ 이때 아스타잔틴으로의 이산화탄소의 생 전환 속도는 50.43 mg/L·day로 나타났다.
□ 기대효과
이산화탄소를 고정화하여 고 부가가치 생리활성물질을 생산하는 고 효율 균주 및 공정의 개발은 이산화탄소 처리에 있어서 부가가치 창출을 통한 처리 비용 현실화라는 신 개념의 이산화탄소저감 기술의 새로운 모델 기술로 기대된다.
이산화탄소를 고정화하는 광합성 미생물에 의해 생산되는 이차 카로티노이드들은 사료 첨가제, 식품 착색제, 건강식품, 진단용 의약품, 항암·항생 물질 등의 기능으로 사용되어지며, 국내에서 500억 원/년 규모의 시장을 형성할 것으로 예측된다.
* 아스타잔틴 (Astaxanthin)
카로티노이드는 인체의 노화 및 주요 질병 방어 기능중의 하나인 항산화능력을 가지고 있는 광합성 생물 유래 식용 색소들 중의 하나이다. 카로티노이드 물질들 중에서 붉은 카로티노이드 계열에 속하는 아스타잔틴은 이미 시장에 많이 알려진 황색 계열의 카로티노이드 물질들 (베타카로틴 또는 루테인 등) 보다 수십 배 이상의 높은 항산화 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 이러한 고 항산화성 기능으로 인해 아스타잔틴은 다양한 생물학적 응용 잠재성이 증가하고 있고, 특히 의약품, 식품 첨가제 및 동물과 치어의 사료 첨가제로 이미 사용되고 있는 실정이다.
* 해마토코쿠스 (Haematococcus)
광 에너지를 이용할 수 있는 미생물의 일종인 해마토코쿠스는 최근 각광을 받고 있는 고 항산화 기능의 카로티노이드 물질인 아스타잔틴을 다량 축적할 수 있어서 주목 받고 있는 민물성 조류이다.
해마토코쿠스는 전 세계적으로 고르게 분포되어 있는 조류이지만 자체 형태 변화를 통하여 다른 조류에 비하여 극한 상황에서 생존이 가능하여 항상 물이 차 있는 곳 보다 주로 물이 일시적으로 차 있는 곳에서 주로 발견이 된다. 이러한 자체 형태 변화를 통한 생존은 비우호적인 환경에서 빠르게 휴면단계로 들어가는데 기인한다. 해마토코쿠스의 자체 형태 변화는 크게 녹색으로 두개의 편모를 가지고 유영하는 단계와 이동성이 없는 적색의 휴면단계로 나눈다. 적색의 휴면단계에서 고 항산화 활성의 카로티노이드 물질인 아스타잔틴을 축적하며 축적된 카로티노이드 물질중의 80% 이상을 차지한다.
* 활성산소
흔히 산화력이 강한 유해 산소를 일컫는 말로서, 이것은 호흡과정에서 몸속으로 들어간 산소가 산화과정에 이용되면서 여러 대사과정에서 생성되어 생체조직을 공격하고 세포를 손상시킨다.
* 베타카로틴 (beta-carotene)
항산화 기능이 있는 황색 계열 카로티노이드 물질의 일종인 베타카로틴은 천연적으로 당근 뿌리, 고추 열매에서 널리 존재하며, 인체에 흡수되면 비타민 A의 원료물질로 사용된다.
* 자가영양광유도공정
유기 탄소 (설탕)를 사용하지 않고 이산화탄소와 빛만을 이용하여 광합성 미생물 스스로 그 형태를 변화하고 항산화 기능의 카로티노이드를 과량 축적하도록 유도하는 공정이다.
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